双分量广域电磁法在深埋隧洞工程勘察中的应用

张林成，周 聪，汤井田，原 源，蒋奇云，李 广，黄凤林，李广场

(1.湖南城市学院信息与电子工程学院，湖南益阳 413000;2.核技术应用教育部工程研究中心，江西南昌 330013;3.中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南长沙 410083;4.浙江华东工程安全技术有限公司，浙江杭州 311122)

0 引言

深埋隧洞(道)勘察是水利水电和铁路、公路基建交通等工程中常见的复杂问题。由于深埋隧洞(道)勘察深度常达数百米级以上，地球物理技术是重要的解决方法。电磁勘探方法因具有探测深度范围大、适合起伏地形、工作效率高及成本低等优势，是一类重要的深部勘察手段。例如音频大地电磁法(祁民等,2019;Chave and Jones,2012)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)(Strangway et al.,1973;汤井田等,2005；周普红等，2017)、探地雷达(李俊杰等,2019)、射频大地电磁法(原源等，2019)和广域电磁法(Wide Field ElectroMagnetic method,WFEM)等(汤井田等,2005；何继善,2010;祁民等,2019;李俊杰等,2019;Strangway et al.,1973;Chave et al.,2012)都已被广泛应用。相较而言，探地雷达和射频大地电磁法目标深度较浅，不适于直接探测深埋隧洞工程。

音频大地电磁法观测天然电磁场，理论简单、探测深度大；但信号易受噪声干扰(杨生等，1993；汤井田等，2012；周聪等，2015)。CSAMT观测人工电磁场，数据信噪比高，但由于其视电阻率计算仍然采用卡尼亚视电阻率公式，实际中因场源的非平面波效应而引入人为误差，不仅影响探测深度，而且可能会引起错误的解释(汤井田等,2010；杨大方等,2015；周聪等,2019)。广域电磁法是何继善院士提出的一种新的人工源频率域电磁测深法(何继善,2010)。该方法从场的统一性出发，将“近区”，“过渡区”和“远区”有机地统一起来，定义广域视电阻率，改善了非远区的畸变效应，使得测深能在广大的、不局限远区的区域进行，且在同等收发距上勘探深度增大。同时，广域电磁法采用多频伪随机信号发送，而不是常规CSAMT的变频发送，一次所发送即可完成多个主频成分的测量，并压制由变频引起的随机噪声影响，可有效提高勘探速度与精度(何继善,2019)。目前，广域电磁法已经在金属矿产(刘春明等，2013)、石油及页岩气(何继善等，2014;Yang et al.,2017;Yuan et al.,2017)、煤矿(He,2018)等多种资源探测领域中取得了成功应用。然而，由于首批广域电磁仪为电场单通道观测设计(蒋奇云，2010)，因此过往的广域电磁法应用主要采用E-Ex电场单通道观测方式，在构造复杂的地区所获得的信息量相对单一。

2017年，中南大学研制成功双通道矢量广域电磁仪，双分量广域电磁法逐渐得到应用。本文立足于卡拉水电工程深埋隧洞探测实例，从方法原理、施工方案、数据处理及成果解释等多个方面对这一方法进行了阐述。通过本次研究工作，了解了深埋引水隧洞沿线电阻率的变化规律，揭示了主要断裂的分布位置，特别是洞线的电阻率特征，为后续隧洞岩石完整性评价研究提供了依据。

1 双分量广域电磁法

常规广域电磁法在发送端采用接地偶极子作为场源，在接收端只观测单分量的电场以提高观测效率(He，2018)，即所谓E-Ex方式。事实上，广域电磁法根据场源形式或观测方式可以做更详细的划分。此处简要介绍电场双分量广域电磁法的基本原理。如图1所示，发送端采用水平电流源发射信号，以发送偶极矩的方向的为x方向；接收端采用双通道接收机，同时测量电场的x分量和y分量。

图1 电场双分量广域电磁法发送及接收示意图

the two-component wide-field electromagnetic method

均匀半空间条件下x方向水平电偶极子产生的电场分量Ex、Ey表达式可写为：

(1)

(2)

式中I为发射电流，A；ρ为均匀半空间电阻率，Ω·m；dL为电偶极子长度，m；r为测点到电偶极子中心的距离，m；φ为r与电场Ex的夹角，°；FE-Ex(ikr)为与地下电阻率、场源频率、场源与观测位置有关的系数，k为波数。

FE-Ex(ikr)=1-3sin2φ+e-ikr(1+ikr)，

k2=iωμ(1/ρ-iωε)

(3)

由式(1)～(2)可得到电阻率表达式(何继善，2010;汤井田等，2011)：

(4)

(5)

依据E-Ex及E-Ey双分量广域视电阻率数据，进行处理及反演，获得地下电阻率模型，即可进行相应的地质推断及解释。由于地球物理反演的不适定性，通常参与反演的约束数据越多，模型精度自然越高。肖晓(2010)、董浩等(2012)等学者的研究结果证明，对于二维等高维地电模型，采用两个观测方向不同模式的观测数据进行联合反演，可获得优于单模式的反演结果。因此，E-Ex及E-Ey双分量广域电磁法具有更好地反映地下电性信息的能力。

2 工程背景与地球物理部署

2.1 工程背景

本次双分量广域电磁法应用案例为卡拉水电站工程引水线开发方案的长引水隧洞工程勘察。工程区位于四川省凉山州木里县雅砻江河段内。引水隧洞采用两条隧洞平行布置，平均洞长约22.1 km。隧洞沿线构造发育，主要分布三大地层。本文的主要目标为第一层，即从进口段至卡拉乡附近，主要为砂质板岩、大理岩、变质砂岩及含炭质板岩混杂，与坝址区的地层相近，岩体多呈层状，岩层与引水隧洞小角度相交，围岩条件较差，长度约11.3 km。

前期工作中，采用对称四极电测深法对卡拉水电站坝址区域岩土电阻率及水电阻率进行了测试，结果如表1所示。可以看出，覆盖层、不同破碎状态及完整性的岩体以及雅砻江水的电阻率均值具有显著的差异，表明在本工区开展双分量广域电磁法应用具有很好的物性基础。

表1 卡拉水电站坝址区域岩土及水电阻率测试结果

2.2 地球物理部署

测线位于长引水隧洞洞线上方，共布置了1条测线，位置如图2所示，测线平均点距40 m。取测线方向为y方向。由于采用双分量广域电磁法，需观测Ex及Ey两个电场分量，为同时获得较高幅值的Ex及Ey电场，需谨慎选择场源位置及方位(汤井田等，2005；汤井田等，2011；汤井田等，2013)。经过比选，确定场源的供电电极A、B位置位于卡拉乡南部，如图2所示。AB极长度约为1.1 km，发送轴与接收测线垂直，与坐标系x方向平行。测线北端测点与发送极矩的夹角φ≈78°，南端测点与发送极矩的夹角φ≈64°，根据可控源条件下，不同排列测量分带的研究(汤井田等，2005)，上述场源选择可以保证整条测线上都能观测到较高幅值的双分量电场。

图2 测点及场源部署图

3 数据采集、处理与反演

3.1 数据采集

本次广域电磁法勘探采用中南大学何继善院士及汤井田教授团队研制的广域电磁观测系统，主要设备有：广域电磁发射机、矢量广域电磁接收机、大功率发电机等。广域电磁发射机的信号源为伪随机信号，可根据勘探需要选用不同的信号频率，实现多个频率同时测量的要求，以提高抗干扰能力和分辨率(何继善，2010)。

为增加发送电流，采用多电极并联等处理措施，降低供电电极接地电阻。采用伪随机编码信号源，发送7频伪随机信号，最大总发送电流达50 A以上。接收端共投入12套矢量广域电磁接收机进行同步观测，每个测点均记录Ex及Ey双分量电场；共观测4个频段，28个频点，频率范围为8192～0.75 Hz，单点观测时间控制在60分钟以上。根据《广域电磁法技术规程》(湖南省国土资源厅，2018)进行施工，最终在该测线上共获得测点137个。

需说明，与单分量观测相比，双分量广域电磁法施工中增加了1个方向的电场观测，仅少量增加了施工成本，而场源埋设、接收器部署及时间成本均一致；但获得了双倍的数据量，实际上提高了采集效率。

3.2 数据处理

本次广域电磁法数据处理以及反演采用中南大学开发的“重磁电三维反演成像解释一体化系统”GME_3DI(V4.2)中的广域电磁法数据处理模块。数据处理包括以下步骤：(1)频域场值数据计算，对采集的时间序列数据按一定的长度进行分段，对每个片段分别进行时频转换与频谱估计，计算电磁场值；(2)广域视电阻率数据计算，利用第2节所述的方法及公式，计算每个片段的视电阻率；(3)频域数据分段挑选，绘制视电阻率值随时间片段序号的分布图，以人机交互的方式进行数据挑选；(4)对经过上述处理数据质量仍较低的数据进行去噪处理；(5)空间滤波处理，以压制静态效应，提高数据质量。整体数据处理步骤与大地电磁法基本相同。

经过精心处理，在测区大部分区域获取了高质量的数据。多数测点曲线形态明确，特征明显，能清晰地揭示地下电性特征。典型测量数据及测深曲线如图3所示。注意到1000 Hz以上的高频端数据质量稍低，这是因为高频端发送电流偏小，信噪比不高，曲线不够连续，但仍有趋势，后续可作截频处理。

图3 典型测点的广域电位差及视电阻率数据

而工频(50 Hz)处存在一极小值“飞点”，这是仪器陷波处理所致，反演前进行频点删除或圆滑等处理即可。

3.3 数据反演

数据反演采用GME_3DI(V4.2)中的反演模块，方法为带地形的连续介质反演(戴世坤和徐世浙，1997；戴世坤等，2013)。正演采用有限元方法，反演网格为自适应非结构化网格，可根据测点的空间分布进行自适应加密，初始网格系数选择为点距的2倍，根据实测频率和地表电阻率，反演深度设定为3 km，以模型的改变量小于预期值作为迭代终止条件。首先利用Ex及Ey双分量电场广域视电阻率进行一维连续介质反演，获得初始模型；然后以该模型为基础，进行二维连续介质双模联合反演，获得反演结果，并开展模型验证及成果推断解释。

图4给出了反演前后频率-响应数据拟剖面图对比。带地形的连续介质二维反演结果很好地拟合了观测数据，证明了反演模型的可靠性。

4 勘察结果与解释

W1剖面广域电磁法反演电阻率模型见图5。根据反演模型，划定了剖面中软弱层的空间分布范围以及主要断裂构造的分布位置。分析可知，(1)在剖面桩号0～7700 m存在一条视电阻率值范围为100～600 Ω·m的条带状低阻体，该低阻体厚度和埋深变化较大，厚度主要为30～150 m，结合地质资料分析该低阻体为基岩中的软弱层。(2)桩号2500 m段附近发育一段北倾低阻体，结合地质资料，分析该低阻体为构造断层，倾向剖面小号方向，即北西向。(3)桩号5400～5800 m段基岩电阻率降低，分析该段受构造破碎带影响，存在一南倾断层。

图4 反演前后响应数据的频率拟剖面图对比

图5 双分量广域电磁反演结果及构造推断图

一般地，对于同一埋藏环境、近似岩性的岩体，岩体电阻率越大，岩体越完整、越新鲜，岩体质量就越好；反之则越差；这是以电阻率进行岩体质量分级的物理基础(化希瑞等，2017;2018)。由于本段地下介质岩性主要为砂质板岩和炭质板岩，整体岩性相近。岩石电阻率值可为岩石完整性及岩体质量判断提供重要基础数据。图5b给出了隧洞的洞线电阻率分布，为后续评价提供了参考依据。

利用钻孔及工程地质资料，对广域电磁法解译结果进行了对比和验证。钻孔位置见图5，位于2510～2560 m测段。该孔深度达233 m，揭示出覆盖层厚度为20 m，覆盖层下岩性主要为炭质板岩、砂质板岩，孔深19.9～35 m和83.34～131.23 m段为断层带，断层视倾角约为82°①。对比广域电磁反演结果可以看出，电阻率模型在钻孔位置处表现为电性分界面。根据前文的分析，该处推断存在断层，其倾角与钻孔揭示的断层视倾角相当。同时需说明，电阻率模型的分辨率相对钻孔较低，因此并不能完全精确地与钻孔结果相对应。总体上，钻孔资料证实了广域电磁法反演模型推断结果中130 m以浅断裂构造的赋存位置及倾向；根据电性模型，进一步推断该断层以相应的倾角延伸至深部，如图5中2400～2500 m测段间的红色虚线所示。结合测区的工程地质工作可知，广域电磁法对地下整体结构反映较好，主要电性结构及破碎带均有较好反映。

5 结论

在西南卡拉水电工程中，首次采用双分量广域电磁法开展了深埋隧洞勘察研究，验证了广域电磁法在深埋隧洞勘察应用中的有效性，获得了以下认识。

(1)本次双分量广域电磁法探测工作查明了测线地下的主要电性结构，揭示了主要断裂的位置和倾向，给出了引水洞线的电阻率分布。钻孔资料表明双分量广域电磁法较好地揭示了构造破碎带；洞线电阻率分布为后续岩体质量评价提供了参考依据。

(2)相较于常规单分量观测，双分量广域电磁法可在少量增加施工成本的基础上提供双倍的观测数据量，有利于提高复杂构造区勘探精度，是深埋隧洞勘察的一种有效探测手段。

[注 释]

① 中国电建集团华东勘测设计研究院. 2018. 四川省雅砻江卡拉水电站可研阶段长引水方案勘探成果报告[R].